外界环境和路用材料对寒区水泥混凝土路面耐久性影响分析

2016-09-07王伟明黑龙江省审计厅

科学中国人 2016年12期

王伟明黑龙江省审计厅

科学技术

王伟明
黑龙江省审计厅

气温低、寒期长、温差大、寒潮多、积雪厚、冻土深是我国寒区气候的主要特点。在我国寒区，气温最低甚至可以达到-50℃，冬天时月平均气温在-15℃以下，且寒期较长，气温在零下的时间少则4个月，多则8个月。影响寒区水泥混凝土路面耐久性的因素有很多，但大体可分为外因和内因两种。外因即外界环境，路用材料是内因主要因素之一。

冻融循环；盐侵蚀；外加剂；耐久性；碱--集料反应

1、外界环境环境影响分析

严酷的自然环境使水泥混凝土路面极易遭到破坏，尤其是冻融循环、冬季除冰盐会降低路面的抗冻性、抗盐冻性和抗渗性，更加剧了路面的腐蚀。

（1）冻融循环破坏机理

结构件表面和内部所含水分的冻结和融化的交替出现，称为冻融循环。水泥混凝土路面水化硬结后内部有许多毛细孔，在混凝土路面施工时，为了保证和易性，混凝土用水量要比水泥水化所需的水多。使混凝土毛细孔中产生游离水，在低温时，这部分水就会结冰，结冰时体积膨胀9%，从而引起混凝土内部结构的破坏。但一般混凝土中水的冰点温度要低一些。如果毛细孔中的水不超过91.7%时，毛细孔中空气可起到缓冲调节作用，将一部分结冰的水挤入凝胶孔，从而减少膨胀压力。在凝胶孔中处于过冷状态的水分因蒸汽压高于同温下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透，在毛细孔中产生渗透压力。这样，处于饱和状态的混凝土受冻时，毛细孔中同时受到膨胀压力和渗透压力，使混凝土内部产生内部裂缝和损伤，经过多次反复，损伤积累到一定程度就会造成结构破坏[1]。

通过冻融循环破坏的机理可以看出，自由水在破坏过程中扮演着举足轻重的角色，所以预防和降低冻融循环破坏的首要措施是减少拌合物中的自由水，而降低水灰比无疑是达到这一目的的行之有效的手段；同时，也可以通过增多毛细孔的办法来缓冲膨胀压力，所以引气剂的应用也是提高混凝土抗冻性的重要手段。

（2）除冰盐侵蚀破坏机理

盐冻最主要的破坏特征是表面剥蚀，破坏从表面向内部发展，使表面砂浆层剥落，骨料暴露，导致表面凹凸不平，但在剥落层以下的混凝土依然保持坚硬良好。同时，在破坏界面上，能看到剥蚀破坏的痕迹和白色的结晶体，这是由于进入混凝土内部的除冰盐很难排除，并不断富集，即使不结冰时也会产生盐结晶压破坏。大量研究表明，盐对混凝土路面的侵蚀是物理作用和化学作用的综合作用。

盐具有吸湿性和饱水性，能增大混凝土中的初始饱水度，因而当受冻时，混凝土中将产生更高的的结晶压。此外，由于盐的浓度差，受冻时因分层结冰产生应力差；由于盐产生的过冷水处在不稳定状态，使其最终在毛细孔中结冰时结冰速度更快，将产生更大的破坏力；同时盐使冰雪融化时吸收大量的热使冰雪覆盖下层的混凝土温度骤降，会导致额外的冻害。

氯盐对混凝土的腐蚀机理表明，长期暴露于NaCl溶液中的水泥砂浆体，其水化产物会被Ca(OH)2所浸滤而发生反应，化学反应式如下式：

Ca(OH)2的滤出会增加混凝土暴露面附近的孔隙率，使结冰量增加，加剧剥蚀破坏。同时，CaCl2溶液会与于水泥浆中的C3A反应生成氯铝酸盐结晶，反应式如下式：

此外，形成的NaOH与混凝土中的活性集料发生碱--集料反应，生成了强度较低，与粗细集料间粘结较弱的膨胀性盐，膨胀压力又会加剧混凝土的表面剥蚀，从而进一步降低了混凝土的物理力学性能。

2、路用材料影响分析

独特的地理气候环境使得寒区水泥混凝土路面所用材料与一般路面相比会有所不同，这种主要表现在材料的种类、用量和规格。寒区水泥混凝土路面用材料具体包括水泥、砂砾、碎石、外加剂或外掺料，同时，研究耐久性时也必须考虑与之相关的配合比、坍落度、含气量、和易性、工作性等，以及与材料破坏密切相关的碱--集料反应、钢筋锈蚀、硫酸盐腐蚀、碳化腐蚀等。对于材料的使用，《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTGF30-2003给予了相关规定，我们也能从实地调研中了解到寒区水泥混凝土路面使用材料的具体情况，这方面内容本文会在第四部分--改善耐久性的措施中具体阐述，此处只就典型外加剂和外掺料的使用及原理、碱--集料反应作以研究。

（1）外加剂

外加剂是混凝土领域的一种重要材料，它对改善混凝土的工作性能有着重要作用。在寒区，外加剂更是得以广泛使用，水泥混凝土路面领域最为常用的就是引气剂和减水剂。以下是其作用原理。

1）引气剂的使用及原理

引气剂是指使混凝土拌合物在拌和过程中引入空气而形成大量微小、封闭而稳定气泡的一种外加剂。它主要适用于一些抗冻性要求较高的混凝土结构，正好应用于寒区水泥混凝土路面。

在搅拌混凝土过程中，加入引气剂可在新拌混凝土中形成大量独立的微型气泡，这些气泡呈球形，均匀分布在混凝土中。引气剂溶入水中后，每个气泡都可看做是液体薄膜包裹的气体，大量的气泡就大大降低了溶液的表面张力，并增加了水与空气的接触面积，从而改变了混凝土的和易性、工作性、均匀性和坍落度。

气泡的引入增加了水泥砂浆的体积，在各种骨料的相对移动过程中起到了润滑作用，很好降低了摩擦阻力，从而使混凝土更易拌合均匀。气泡中的液体薄膜消耗了部分水分，再加上引气剂本身的引气减水作用，就能在一定程度上降低新拌混凝土中的自由水，如此以来，就减水了混凝土的泌水，提高了坍落度。实验表明，混凝土中的含气量每增加1%，单位用水量减少2%~4%，坍落度提高约10mm，混凝土工作性大大提高。

更重要的是，大量的气泡使得混凝土中毛细孔的数量和直径减少，并在毛细管道中形成阻塞，从而加大了混凝土的抗渗性。如此一来，就减弱了冻融循环的发生条件，提高了混凝土的抗冻性能，使水泥混凝土路面的耐久性得以提高。

在引气剂的使用过程中，必须注意对其品种和用量的选择。优良的引气剂形成的微小气泡能有效提高混凝土的抗冻性，而过大的气泡会降低其使用效果；由于过多的引气剂会降低混凝土的强度，而气泡过少又难以达到抗渗抗冻要求，所以引气剂的用量必须与混凝土的强度和抗性指标配套。此外，还要注意对气泡的保护，如过高的搅拌温度和过长的搅拌时间都会降低气泡数量。

一般各级公路路面混凝土全部要求掺引气剂，路面混凝土适宜含气量推荐值见下表。

表　路面混凝土适宜含气量推荐值（%）

2）减水剂的使用及原理

减水剂是一种能减少混凝土拌合物中自由游离水的外加剂，在较减少水分的同时，它还能提高混凝土的强度，节约水泥资源。按对混凝土凝结时间的影响，可将减水剂分为分为早强型、标准型和缓凝型三种类型。

水泥加水搅拌后，会在水泥浆中形成一些凝絮结构，这些凝絮结构会包裹10%~30%的拌合水。游离水的减少会使水的润滑作用大大降低，从而减小了混凝土拌合物的流动性和工作性。当加入减水剂后，减水剂分子会定向吸附在水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同种电荷，形成静电斥力，于是水泥颗粒便相互分散，使絮凝结构破坏，释放出被包裹的游离水，从而增加混凝土拌合物的流动性。

减水剂中含有极性亲水基，他能与水分子结合，在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜。这层溶剂化水膜能阻止水泥颗粒直接接触，减少颗粒移动的相对阻力，从而起到润滑作用[2]。

在混凝土中同时加入减水剂和引气剂后，在自由水减少和微小气泡缓冲膨胀压力双重作用下，冻融循环的破坏效果就得到了很大程度的降低，从而增强混凝土的抗冻性。同时，减水剂的使用达到了减低混凝土水灰比的作用，而水灰比的降低又能减少水泥路面的碳化，从而提高路面耐久性。

（2）外掺料

和引气剂相似，外掺料也对改善混凝土的各项性能有着重要作用，而且往往外掺料在节约水泥资源方面更为显著。寒区水泥混凝土路面常用的外掺料有粉煤灰和硅粉两种。

1）粉煤灰和使用及机理

煤燃烧后会产生浓重的烟气，这些烟气实际上是未充分燃烧的煤炭小颗粒，也就是粉煤灰，其氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。由于大量的燃煤发电厂和金属冶炼厂的存在，使粉煤灰成为我国现阶段最主要的工业污染物之一，粉煤灰的随意堆放还会污染环境，有害人和动物的健康。国内外学者经过研究发现，将粉煤灰掺入混凝土中不仅能替代水泥，从而减少水泥用量，而且能显著改善混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碱--集料反应性和抗碳化性，从而提高混凝土的耐久性。

粉煤灰中含有大量的细屑，这些细屑能进入细集料中，从而增大了浆体体积，使浆体能更充分地包裹集料，使混凝土拌合物的可塑性和粘聚性增加。同时，大量的细屑会阻塞在浆体中的毛细孔中，这些毛细孔是泌水通道，所以粉煤灰的使用也可减少了水的使用及新浇混凝土的泌水。

粉煤灰对水泥的替代及用水量的减少大大减低了水泥的水化热和混凝土凝结过程的温升，这就能防止路面因内外温差所造成的温度裂缝和因水分过快散失所造成的干缩裂缝。

此外，粉煤灰中的火山灰反应能生成微小而致密的水化硅酸钙，阻塞毛细孔，提高混凝土的抗渗性；粉煤灰能与水泥中的碱反应，从而减少了集料中的活性氧化硅与水泥中碱的反应，起到了抑制碱--集料反应的作用；粉煤灰中的二氧化硅还能与水泥中的氢氧化钙反应，从而减少了氢氧化钙与硫酸盐反应引起的石膏膨胀，所以粉煤灰还能提高混凝土的抗硫酸盐能力。

当然，粉煤灰也不是掺的越多越好，实验证明，水泥混凝土中粉煤灰的掺量不宜大于30%,一般推荐掺量为10%~20%。

粉煤灰的掺用是变废为宝的典型例子。将原本难以处理的工业废渣变成替代水泥的优质材料，既节约资源又保护环境，既降低了工程成本又可提高路面耐久性，可谓一举多得，极具推广意义。

2）硅粉的使用及其机理

硅粉，又叫微硅粉，学名“硅灰”，是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成。其主要成分为SiO2。

硅粉颗粒非常小，比水泥颗粒还小数十倍，所以硅粉能轻易填充到水泥颗粒的间隙之中，提高混凝土的密实性。并且硅粉能发生二次水化反应生成致密物质阻塞渗流通道，所以掺入适量硅粉的水泥混凝土具有较好的不透水性和抗渗性。

硅粉发生火山灰反应能使混凝土中的氢氧化钙含量减少，从而减少了孔隙水的碱度，这就减少了水泥中的碱与集料中活性氧化物的反应，抑制了碱--集料反应。学者Popoic经研究后指出，在普通混凝土中掺入硅粉会提高混凝土的耐久性，尤其是在硫酸盐、除冰盐等易发生腐蚀反应的环境中。

（3）碱--集料反应的机理

碱--集料反应(简称AAR)是指混凝土原材料中的碱性物质与活性成分发生化学反应,生成膨胀物质(或吸水膨胀物质)而引起混凝土产生内部自膨胀应力而开裂的现象。它被称为混凝土的“癌症”，一旦发生，便会使混凝土结构耐久性大幅下降甚至失去使用价值，且它发生在混凝土结构内部，事先不易察觉，发生后修复工作也难以进行。

碱--集料反加剂，集料中活性材料主要是指SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。应中的碱主要来自水泥熟料、外按照发生反应的活性材料的不同，可将混凝土碱集料反应分为三种类型，分别是碱--硅反应、碱--碳酸盐反应和碱--硅酸盐反应。其中碱--硅反应是最为常见的反应类型，水泥中的碱与混凝土中的活性氧化硅反应生成碱--硅酸凝胶，凝胶大量吸水并产生膨胀压力致使混凝土开裂。由碱集料反应的发生机理可知它一般容易发生在下面三个条件下：一是混凝土中有一定数量的碱性物质存在，或者混凝土本身就处在有利于碱性物质渗入的环境之中；二是集料中掺入了一定数量的碱活性骨料，如含SiO2的骨料；三是潮湿环境，潮湿环境中的水分是反应物吸水膨胀的物质基础，若混凝土处于干燥条件下，则碱--集料反应难以发生。

碱--集料破坏发生之后，其他类型的路面破坏便可能会相继发生。这是因为膨胀产生的裂缝会将水泥混凝土路面的内部结构暴露于空气之中，外界的水分、冰雪、二氧化进一步使裂缝扩大。如此一来，碱--集料反应所造碳、杂质等随之进入，进而造成钢筋锈蚀、碳化腐蚀、冻融循环破坏等，这些破坏又会成的破坏便会如同“癌细胞”一般逐渐扩散恶化，最终破坏混凝土结构。